二氧化碳地質封存(一):地質封存

 
2017/07/11 李元亨 | 國立成功大學資源工程學系     456
 

自人類進入工業時代,化石燃料的使用,產生大量的溫室氣體,引發全球暖化,造成全球溫度上升等多項災害。為了減少溫室氣體的排放,IEA(International Energy Agency, 國際能源總署)提出了六項有效的溫室氣體減量方案。其中,碳捕存技術為成本最低且技術較成熟的減碳方案,並能夠做到確實使二氧化碳與大氣隔離,避免溫室氣體對於全球氣候產生影響。

 

碳捕存技術,透過碳捕獲技術,將工廠內產生的二氧化碳捕獲,依照封存方式的不同,運輸到各自的封存場址進行封存,可將封存分為地質封存、海洋封存、礦化封存三種方式。由於地質封存所使用的技術以及設備,已廣泛使用於石油以及天然氣工業中,為目前最成熟且有可行性的方法。

 

二氧化碳地質封存的原理是將二氧化碳注入到地下岩層內的地質構造中,有足夠厚度且高孔隙率的地層(如砂岩層)作為儲集層,讓二氧化碳填充於岩石的孔隙內,並且於儲集層上方有地層封閉構造或是具有阻隔性的蓋岩層,將二氧化碳阻隔於地層內,而長期且有效的封存。目前良好的地質封存場址可分為三種:耗竭油氣層封存、難開採煤層封存以及深部鹽水層封存。

 

為了安全的封存二氧化碳,在選擇封存場址時,需要讓地層溫度及壓力大於二氧化碳的臨界溫度及壓力(31℃、7.4 MPa)(一般封存場址深度在800 m以上即可符合溫壓條件),使二氧化碳轉變為超臨界態,物理性質介於氣、液兩相之間,具有與氣體相似的低黏度及接近液體的高密度,表面張力極低,易滲入地層孔隙中。此外,良好的封存場址,必須要有一定厚度且孔隙率及滲透率良好的封存地層,讓二氧化碳流動良好,並有足夠的孔隙空間封存。

 

在篩選時,為了避免二氧化碳發生洩漏,封存地層的上方需要有低滲透性、具封阻作用的岩層作為蓋岩層,以阻隔二氧化碳向上滲漏,並避免有斷層、破碎帶的存在,讓二氧化碳發生洩漏。

 

耗竭油氣層封存

 

耗竭油氣層封存,將二氧化碳注入於過去生產過或是現在仍在生產中的耗竭油氣生產層進行封存(你知道過去在地底開採的油氣生產區,裡頭的縫隙可以將多餘的二氧化碳收納進去!)。在耗竭油氣層中,由於過去曾經儲存數百萬年的油氣,地質構造穩定,有著完善的蓋岩層或封閉構造,不易發生洩漏,並且已經經過探勘工作以及長期的生產,對於地質構造及地層流體的物理化學性質有較完善的資料,不需進行探勘工作,開發成本較低,並可以增加油氣的產量與生產能力。雖然耗竭油氣層封存有著許多的優點,但其封存潛能受到現有的油氣田數量及體積限制,封存潛能較為有限。

 

難開採煤層封存

 

將二氧化碳注入較深、難以開採的煤層。由於煤層對於二氧化碳有良好的吸附能力,利用吸附方式進行二氧化碳封存,若煤層已有吸附天然氣,可以於二氧化碳封存的同時而生產天然氣。由於深層煤層的分布有限,難開採煤層的封存潛能極低,且目前的技術尚未成熟。

 

深部鹽水層封存

 

相對於另外兩者,深部鹽水層的分布廣泛、容量大、較不受地質構造限制,封存潛能遠大於耗竭油氣層及難開採煤層,為最有潛力的地質封存場址。由於深度較深,地層水為鹽水,注入的二氧化碳密度較地層水低,由浮力作用而向上漂浮,在遇到上方的緻密、低滲透性的蓋岩層(阻隔層)後,二氧化碳會被阻擋在蓋岩層下,無法向上滲漏,並逐漸與地層水及礦物反應,而溶解於地層水中或是形成礦物沉澱,可使二氧化碳安全且長久的封存於地層內。在鹽水層封存中,由於地層分布範圍較大,洩漏的可能性也較高。因此,蓋岩層的封阻性是否良好,以及周遭是否有斷層或裂隙存在,在選擇封存場址時,需更加謹慎。

 

整體而言,二氧化碳地質封存的潛能極大,技術及設備成熟度高,具有極高的可行性,可安全且大量的進行二氧化碳封存。但在封存場址的選擇上,需要選擇具有良好孔隙率及滲透率的地層作為封存層,並且要有良好封阻性的蓋岩層,以及周邊無斷層或裂隙存在,避免二氧化碳發生滲漏。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

 
 
 
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